Pesquisadores desenvolveram um método para imprimir filmes finos de óxido de metal em temperatura ambiente. Essa abordagem foi empregada com sucesso para produzir circuitos transparentes e flexíveis que são robustos e capazes de operar em altas temperaturas.
“Criar óxidos metálicos que são úteis para eletrônicos tradicionalmente requer o uso de equipamentos especializados que são lentos, caros e operam em altas temperaturas”, diz Michael Dickey, coautor correspondente de um artigo sobre o trabalho e Professor Camille e Henry Dreyfus de Engenharia Química e Biomolecular na Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Queríamos desenvolver uma técnica para criar e depositar filmes finos de óxido metálico em temperatura ambiente, essencialmente imprimindo circuitos de óxido metálico.”
O papel dos óxidos metálicos na eletrônica
Óxidos metálicos representam uma categoria de material significativa, onipresente na maioria dos dispositivos eletrônicos. A maioria dos óxidos metálicos exibe propriedades isolantes, semelhantes às observadas no vidro. No entanto, alguns óxidos metálicos exibem propriedades condutoras e transparentes, que são essenciais para a funcionalidade de telas sensíveis ao toque em smartphones e monitores de computador.
“Em princípio, os filmes de óxido de metal devem ser fáceis de fazer”, diz Dickey. “Afinal, eles se formam naturalmente na superfície de quase todos os objetos de metal em nossas casas – latas de refrigerante, panelas de aço inoxidável e garfos. Embora esses óxidos estejam em todos os lugares, eles são de uso limitado, pois não podem ser removidos dos metais em que se formam.”
Para atingir esse objetivo, a equipe de pesquisa criou uma metodologia inovadora para a separação de óxido metálico de um menisco de metal líquido. No caso de um tubo cheio de líquido, o menisco é definido como a superfície curva do líquido que se estende além da extremidade do tubo. A curvatura é resultado da tensão superficial, que impede que o líquido vaze completamente. No caso de metais líquidos, a superfície do menisco é revestida com uma fina camada de óxido metálico, que se forma onde o metal líquido encontra o ar.
“Preenchemos o espaço entre duas lâminas de vidro com metal líquido para que um pequeno menisco se estenda além das extremidades das lâminas”, diz Dickey. “Pense nas lâminas como a impressora, e o metal líquido é a tinta. O menisco de metal líquido pode então ser colocado em contato com uma superfície. O menisco é coberto com óxido em todos os lados, análogo à borracha fina que envolve um balão de água. Quando movemos o menisco pela superfície, o óxido de metal na parte frontal e traseira do menisco gruda na superfície e descasca, como o rastro deixado por um caracol. À medida que isso acontece, o líquido exposto no menisco forma constantemente óxido fresco para permitir a impressão contínua.”
Criação de filmes finos e sólidos de óxido de metal
O resultado é a deposição de uma película fina de duas camadas de óxido metálico, com espessura aproximada de 4 nm.
“É importante notar que, embora usemos um líquido, o filme de óxido de metal depositado no substrato é sólido e incrivelmente fino”, diz Dickey. “O filme adere ao substrato – não é algo que você possa borrar ou manchar. Isso é importante para circuitos de impressão.”
Os pesquisadores demonstraram a eficácia dessa técnica com uma série de metais líquidos e ligas metálicas, notando que cada metal teve um impacto distinto na composição do filme de óxido metálico. Além disso, os pesquisadores demonstraram a capacidade de depositar uma pilha de filmes finos em camadas fazendo múltiplas passagens com a impressora.
“Uma das coisas que achamos surpreendente foi que os filmes impressos são transparentes, mas têm propriedades metálicas”, diz Dickey. “Eles são altamente condutores.”
“Como os filmes têm um caráter metálico, o ouro se liga ao óxido impresso, o que é incomum – o ouro normalmente não gruda em óxidos”, diz Unyong Jeong, coautor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH). “Quando você introduz uma pequena quantidade de ouro nesses filmes finos, o ouro é essencialmente incorporado ao filme. Isso ajuda a evitar que as propriedades condutoras do óxido se degradem ao longo do tempo.”
“Achamos que esses filmes são tão condutores porque o centro do filme fino de duas camadas contém muito pouco oxigênio, é mais metálico e menos óxido”, diz Jeong. “Sem a presença de ouro, mais oxigênio chega ao centro do filme fino em camadas ao longo do tempo, o que faz com que o filme se torne eletricamente isolante. Adicionar ouro ao filme fino ajuda a evitar que a parte central do filme oxide. O fato de isso funcionar tão bem é surpreendente porque estamos usando tão pouco ouro – o filme fino de óxido ainda é altamente transparente.”
Desempenho de alta temperatura e flexibilidade
Além disso, os pesquisadores descobriram que os filmes finos retinham suas propriedades condutoras em temperaturas elevadas. Foi observado que um filme fino com espessura de 4 nanômetros retinha suas propriedades condutoras até temperaturas de aproximadamente 600 graus Celsius. Um filme de 12 nanômetros de espessura é capaz de reter suas propriedades condutoras até uma temperatura de pelo menos 800 graus Celsius.
Além disso, os pesquisadores ilustraram a eficácia de sua metodologia imprimindo óxidos metálicos em um polímero, resultando em circuitos altamente flexíveis que demonstraram resiliência ao dobramento, mantendo sua integridade estrutural mesmo após 40.000 ciclos.
“Os filmes também podem ser transferidos para outras superfícies, como folhas, para criar eletrônicos em lugares não convencionais”, diz Dickey. “Estamos preservando a propriedade intelectual dessa técnica e estamos abertos a trabalhar com parceiros da indústria para explorar potenciais aplicações.”
Referência: “Impressão ambiente de óxidos nativos para placas de circuito flexíveis transparentes ultrafinas” por Minsik Kong, Man Hou Vong, Mingyu Kwak, Ighyun Lim, Younghyun Lee, Seong-hun Lee, Insang You, Omar Awartani, Jimin Kwon, Tae Joo Shin, Unyong Jeong e Michael D. Dickey, 15 de agosto de 2024, Science .
DOI: 10.1126/science.adp3299
Este trabalho foi realizado com o apoio da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, financiado pelo Ministério da Ciência, sob as bolsas 2022M3C1A3081359 e RS-2024-00338686.
